等離子脈沖解堵裝置的自反饋送絲裝置設(shè)計

郭巖寶,王 斌,王德國,韓 飛2,郭慧娟2, 韓忠星,譚 海

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院 ,北京 102249；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

隨著我國大部分油田油層的孔隙滲透率日益下降，單井產(chǎn)量也隨之大幅減少。因此，進(jìn)行油氣井解堵作業(yè)對提高油氣采收率具有重要意義。目前，井下等離子脈沖解堵裝置作為一種新型的提高油田采收率的技術(shù)裝備，在采油井以及注水井的解堵增產(chǎn)方面具有良好的應(yīng)用前景[1-4]。等離子脈沖解堵裝置的工作原理如圖1所示。當(dāng)金屬絲受到2 000 V以上的電壓作用時，瞬間發(fā)生氣化爆炸，形成具有破壞性較強的等離子脈沖沖擊波[5-6]。該波能通過射孔孔眼通道直接與地層巖石和流體發(fā)生沖擊，從而形成數(shù)以萬計的徑向裂縫。該裂縫將與天然油氣裂縫連通，從而提高地層的滲透率及油氣井產(chǎn)量。

圖1 等離子脈沖解堵裝置工作原理

在進(jìn)行井下等離子脈沖解堵作業(yè)過程中，送絲裝置具有重要作用。金屬絲能否以直線形式高效、準(zhǔn)確地進(jìn)入爆炸腔體，控制金屬絲的輸送精度，檢測金屬絲是否被消耗，以及整個電路的保護(hù)措施等方面是該技術(shù)的研究核心。王永[7]對輪盤式的自動連續(xù)送絲裝置做了研究；郝艷彭等人[8]研究了能解決傳送阻力大等問題的送絲裝置；梁居瑾等人[9]為了提高金屬絲的輸送精確，研究了一種同軸式送絲裝置；張心怡等人[10]研究了一種能矯正金屬絲的送絲裝置；張海峰[11]研究了能通過控制電磁鐵通斷電并借助彈簧實現(xiàn)蠕動的送絲裝置。上述研究雖然在金屬絲傳送的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面有很大的創(chuàng)新，但是在反饋控制、送絲精確度等方面還不夠完善。

針對等離子脈沖解堵裝置的工作條件， 以及內(nèi)部硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 研究了一種基于STM32型單片機控制的、具有智能自反饋控制及信號采集功能的送絲裝置。本文通過對該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)理計算及反饋信號的采集試驗，研究金屬絲被傳送的準(zhǔn)確性，證明該機構(gòu)能有效提高送絲的成功率，具有良好的應(yīng)用前景。

1 送絲裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

送絲裝置的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬絲的傳送動力由主動輪提供，并帶動從動輪轉(zhuǎn)動，從而配合從動輪帶動金屬絲移動。金屬絲的位移由激光位移傳感器檢測。矯正輪與壓線板保證金屬絲以直線形式傳送。從動輪預(yù)緊絲杠與預(yù)緊器配合工作，保證金屬絲能穩(wěn)定傳送。為了避免金屬絲爆炸瞬間對整個電路的沖擊，設(shè)計了保護(hù)電路(上極片與步進(jìn)電機、電機驅(qū)動模塊串聯(lián)，通過繼電器(常閉)與STM32單片機的負(fù)極引腳連接，下極片連接A2引腳)。

當(dāng)送絲裝置工作時，金屬絲從絲盤上被引出，在主動輪、從動輪和從動摩擦輪的嚙合運動下被穩(wěn)定傳送。金屬絲被矯正輪和壓線板矯正后，通過送絲軟管進(jìn)入爆炸腔體內(nèi)。此時，金屬絲首先經(jīng)過上極片，當(dāng)金屬絲接觸下極片時，單片機會接收到1個低電平信號，此時構(gòu)成完整保護(hù)電路，繼電器由常閉變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，電路斷開，送絲電機停止工作，從而為下一步進(jìn)行等離子脈沖解堵工作做準(zhǔn)備。

圖2 送絲裝置的結(jié)構(gòu)原理

2 金屬絲傳送穩(wěn)定性分析

2.1 輪系傳動分析

送絲裝置的傳動輪系如圖3所示。主動輪與從動輪的轉(zhuǎn)動速度分別為ω1和ω2，主動輪的直徑為d1，從動輪的直徑為d2，則傳動比i為：

(1)

對上式全微分得[12]：

(2)

由式(2)得主動輪和從動輪的半徑的相對誤差的參數(shù)差由傳動比的相對變化量決定，送絲裝置的傳動裝置的速度波動與回旋半徑誤差有著緊密聯(lián)系。

送絲裝置齒輪的圓周力分析如圖3所示，α1和α2分別代表主、從動輪分度圓壓力角，當(dāng)分度圓壓力角α1=α2時(假設(shè)等于α)，主動輪轉(zhuǎn)矩為T1時，其圓周力Ft為：

(3)

主動輪與從動輪嚙合的徑向力Fr為：

(4)

圓周力與徑向力的合力，即法向力Fn為：

(5)

圖3 主、從動輪嚙合過程中的受力示意

為了分析主、從動齒輪齒面的接觸強度σH，根據(jù)赫茲公式可求得：

(6)

式中：L為齒輪厚度；E1、E2分別為主、從動輪的彈性模量，μ1、μ2分別主、從動輪的泊松比。

兩個齒輪在節(jié)點C處的曲率半徑ρ1、ρ2分別為：

(7)

(8)

令:μ=z2/z1得：

(9)

式中：z1、z2分別為主、從動輪的齒數(shù)。

令L=η，載荷系數(shù)為K，將以上參數(shù)代入式(6)得：

(10)

當(dāng)接觸應(yīng)力σH小于等于許用接觸應(yīng)力[σH]時，設(shè)計合理。即：

σH≤[σH]

(11)

所以，主動輪直徑d1的設(shè)計范圍為：

(12)

式中：

η=Ψd·d1

(13)

其中，Ψd代表齒寬系數(shù)。

2.2 驅(qū)動力分析

送絲裝置的從動輪采用V型輪，從動摩擦輪采用防滑、高硬度的材料制作而成，有效提高送絲的驅(qū)動作用力。送絲過程的受力分析如圖4所示。

圖4 金屬絲在傳送過程中的受力示意

對金屬絲進(jìn)行受力分析可得：

Fz=F1+F2+F3≈2f·N3

(14)

其中，F(xiàn)1是從動輪與金屬絲相互作用產(chǎn)生的摩擦力，方向向外(由于從動輪與金屬絲之間的摩擦屬于滾動摩擦，其摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于金屬絲與主動輪的摩擦，故可忽略不計)；F2和F3是金屬絲分別與V型輪的兩個相鄰輪齒相互作用產(chǎn)生的摩擦力，方向向內(nèi)；Fz表示金屬絲所受合外力；f為金屬絲與從動摩擦輪的摩擦因數(shù)；N′為從動輪輪齒對金屬絲作用力N3、N4的合力，N3與N4相等。

根據(jù)三角函數(shù)的余弦定理可得：

(15)

(16)

由式(15)～(17)知，F(xiàn)z的值隨β的增大而減小。考慮到實際送絲情況，本文將β角度值設(shè)計為π/3，可使驅(qū)動力提高1倍。

3 送絲系統(tǒng)控制算法設(shè)計

等離子脈沖解堵裝置的控制系統(tǒng)是具有智能自反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制流程如圖5所示。等離子脈沖解堵裝置開關(guān)打開，單片機檢測系統(tǒng)是否有故障。如果系統(tǒng)正常，單片機控制送絲裝置開始進(jìn)行金屬絲傳送工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到金屬絲接觸下極片的低電平信號后，說明解堵裝置滿足爆炸條件。此時，控制系統(tǒng)控制爆炸電路開啟，完成等離子脈沖解堵工作。

圖5 送絲裝置控制系統(tǒng)框圖

本文控制系統(tǒng)的設(shè)計采用模糊PID控制原理[13]，如圖6所示。將系統(tǒng)實際測得的電弧電壓和理論電壓的誤差值e和誤差變化率ec作為輸入，將比例項、積分項和微分項作為輸出。

本文設(shè)計的送絲裝置系統(tǒng)會根據(jù)給定參數(shù)值和電壓的反饋信號來判斷誤差變化，通過查表選擇合適的去模糊化和模糊化方法，并對比例項Kp、積分項Ki和微分項Kd進(jìn)行參數(shù)的整定。設(shè)PID控制系統(tǒng)的初值為Kp1、Ki1和Kd1,則：

Kp=Kp1+ΔKp

(17)

Ki=Ki1+ΔKi

(18)

Kd=Kd1+ΔKd

(19)

圖6 送絲裝置的模糊PID控制流程

在系統(tǒng)運行過程中，通過查表以及模糊邏輯運算，進(jìn)行PID參數(shù)的在線自整定[14]。反饋下極片作為整個送絲裝置的反饋環(huán)節(jié)[15]，通過單片機對電壓和低電平信號的采集分析，再反饋給送絲系統(tǒng)，構(gòu)成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 送絲裝置的反饋調(diào)節(jié)示意

4 送絲效果測試分析

為了驗證送絲裝置的控制及反饋效果，需通過試驗測試等離子脈沖解堵裝置中電平信號的采集和金屬絲的爆炸成功率。由于實際發(fā)生的等離子電爆炸脈沖的威力巨大，危險系數(shù)較高，且會耗費大量的爆炸專用金屬絲。所以，在程序調(diào)試階段，使用JCY-1型轉(zhuǎn)動源來模擬脈沖信號，從而間接模擬金屬絲到達(dá)反饋下極片的時間，模擬試驗裝置如圖8所示。霍爾傳感器用于檢測模擬的等離子脈沖信號，小鐵片分散在轉(zhuǎn)盤上，提供模擬的等離子脈沖信號(如圖8a)。信號采集裝置在STM32型單片機控制系統(tǒng)的控制下采集反饋系統(tǒng)接收到的低電平信號和等離子脈沖信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析(如圖8b)。在整個裝置中，送絲動作的完成是通過STM32單片機控制步進(jìn)電機驅(qū)動裝置進(jìn)而帶動步進(jìn)電機工作，傳送金屬絲(如圖8c)。

a JCY-1型轉(zhuǎn)動源模擬脈沖信號系統(tǒng)

b 信號采集裝置試驗現(xiàn)場

c 送絲驅(qū)動模擬試驗現(xiàn)場

根據(jù)JCY-1型轉(zhuǎn)動源及信號分析裝置的模擬試驗結(jié)果，繪制了模擬等離子脈沖信號采集的信號曲線，如圖9所示，橫坐標(biāo)為JCY-1型轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動時間，縱坐標(biāo)表示信號的幅值大小，四組散點圖(球體、正方體、四面體和五角星)分別為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的線速度為0.02、0.04、0.06和0.08 m/s的效果圖。

1) 轉(zhuǎn)盤的線速度為0.04～0.06 m/s時，效果圖中突變的頻率較穩(wěn)定、均勻，脈沖信號的采集結(jié)果比較穩(wěn)定。

2) 當(dāng)轉(zhuǎn)盤的線速度大于0.06 m/s時，效果圖的突變無規(guī)律性，反饋系統(tǒng)不能有效檢測脈沖信號，送絲裝置的穩(wěn)定性降低。

圖9 等離子脈沖模擬信號采集效果圖

3) 當(dāng)轉(zhuǎn)盤的線速度小于0.02 m/s時，效果圖的突變頻率較快，不滿足工作環(huán)境需求。

該試驗結(jié)果間接說明金屬絲的傳送速度影響著等離子脈沖爆炸的穩(wěn)定性。傳送速度在0.04～0.06 m/s時，該裝置的穩(wěn)定性和送絲成功率較高。

為了進(jìn)一步驗證該送絲裝置反饋控制系統(tǒng)的精確性，使用示波器檢測試驗過程中金屬絲每次觸及反饋下極片時的脈沖信號。示波器檢測到的瞬時波形如圖10所示，圖中a、b、c3點位置代表金屬絲觸及下極片的瞬時位置，且Lab的距離與Lbc的距離近似相等，證明金屬絲能被穩(wěn)定地傳送到下極片，并發(fā)生爆炸，產(chǎn)生等離子脈沖波，且反饋控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高。

圖10 示波器檢測到的脈沖信號瞬時波形

5 結(jié)論

1) 針對現(xiàn)有井下等離子脈沖解堵裝置的金屬絲傳送精度問題，設(shè)計了具有自反饋控制功能的送絲裝置。

2) 為了提高金屬絲的傳送效率和精度，對其傳動系統(tǒng)進(jìn)行傳動分析和受力分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用閉環(huán)自反饋控制技術(shù)及模糊PID控制原理，設(shè)計了送絲裝置的控制方案。

3) 采用JCY-1型轉(zhuǎn)動源進(jìn)行模擬試驗，證明該裝置能高效、穩(wěn)定地將金屬絲送達(dá)指定位置，并發(fā)生爆炸反應(yīng)，為油氣井的解堵作業(yè)提供了保障，對促進(jìn)石油和天然氣井的增產(chǎn)具有重要意義。